无叶片泵的流量、压力与最大压力调节器作用剖析

罗良才

(湖南人文科技学院 能源与机电工程学院，湖南 娄底，417000)

无叶片泵的流量、压力与最大压力调节器作用剖析

罗良才

(湖南人文科技学院 能源与机电工程学院，湖南 娄底，417000)

本文对无叶片泵的输出量、输出压力进行了详细分析，并就最大压力调节器的作用及必要性进行了探讨。分析表明，无叶片泵的流量调节不影响泵的输出压力，输出压力可自动适应泵入血液处血管的血压。

无叶片泵；输出压力；血压；血流量；最大输出压力

血液泵是体外膜肺氧合系统(extracorporeal membrane oxygenation，英文缩写为ECMO)的主要构件，用于将病人血液从静脉血引出经氧合器氧合并排除二氧化碳后泵入另一静脉，简称V-V转流；或将血液从静脉血引出经氧合器氧合并排除二氧化碳后泵入动脉，简称V-A转流。ECMO是代表一个医院，甚至一个地区、一个国家的危重症急救水平的一门技术。目前发达国家使用的血液泵是离心泵[1]和轴流泵[2]，这二种类型的泵，都具有高速旋转的叶片，对血液细胞存在机械损伤[3]，虽然历经不断研究和改进，包括采用磁悬浮技术和优化泵的设计，在减少泵内血液潴留和机械损伤方面得到很大改善[4]。但由于泵内叶片的存在，从根本上消除泵对血液的机械损伤是不可能的。

无叶片泵作为一种新型血液泵，因其具有对血液细胞机械损伤小，输出压力可自动适应人体血压，压力调节和流量调节可独立进行，不但可以用于ECMO系统，还可用于癌症治疗等特点，将具有良好的应用前景。因此，有必要对其工作特性进行详细分析，为泵的设计和使用提供科学依据。

1 输出阻力恒定时泵的压力变化分析

影响血液泵输出阻力的除了转流系统自身的阻力外，主要是人体血压的高低，显然，泵的输出压力必须大于向人体输入血液处血管内的血压，血液方可经泵输入体内。下面就泵的输出全过程压力变化情况进行分析：

图1 泵在不同情况下的压力变化曲线Fig. 1 The pressure curve of pump under different circumstances

如图1(A)，设输出过程中气泵的活塞从左至右运动，且t=0-时活塞处于最左端的极限位置，内胆中的空气被全部抽空，血液泵外壳内充满血液，并假定泵血全程人体血压处于收缩压期间，则t=o+时活塞开始从左至右运动。根据流体不可压缩原理，内胆中没有空气输入，空气在气缸内被不断压缩，压力不断增大，此压力通过内胆传递给外壳中的血液。当t=t1时，压力增大至大于人体血压，输出单向阀开启，血液开始输出，同时内胆开始充入空气，体积增大，适时填补因输出血液外壳出现的空间。为了简化分析，设内胆的形状与气缸相同，为圆柱体，且内径相等。内胆充气时，只有右端面从左至右运动，那么，自时间t1开始，内胆右端面从左至右的运动速度将相等。由于传动机构设计时保证了活塞做匀速运动，因此，内胆右端面也作匀速运动，至t=t2时血液外壳中血液全部输出。显然，在t2-t1时间内，血液泵输出血压和流速都不变，做恒压、恒流输出，如果气缸的设计，使活塞在t=t2时，也达到活塞从左至右运动的终点，内胆中气体不再增加，其作用于外壳内壁的压力也不变。如果气缸的设计，使活塞在t

整个压力F(t)随时间的变化过程如图1(A)中曲线0abcf所示。图中，在时间0～t1泵的压力随着活塞的运动，空气被压缩而持续增大，自t1开始输出血液，至t2结束，期间，输出压力不变。自t2开始，内胆体积不能再增大，内胆气压随活塞的继续运动而不断升高，至t3，活塞运动到达终点，此时内胆压力为最大输出压力Fm。

2 调压阀的作用

调压阀实际是用于释放气缸内的部分气体。当活塞开始运动时，由于调压阀释放了部分气体，压力达到高于人体血压的时间将延后一段时间Δt1，至t1+Δt1时血液泵开始输出血液。随着血液的输出，由于调压阀继续释放气体，内胆右端面的运动速度将低于活塞运动速度，如不改变调压阀释放气体的速度，内胆右端面仍做匀速运动，血液泵输出血液的流速不变。由于输出血液的开始时间延后Δt1，加上内胆右端面运动速度减小，显然内胆右端面到达终点位置的时间将延后一定时间Δt2，且有Δt2>Δt1,整个压力变化如图1(A)中曲线0bde所示。从图中还可以看到，如果驱动电机转速不变，活塞到达终点的时间t3是不变的。当Δt2=t3-t2时，活塞和内胆右端面同时达到终点，此时血液泵的最大压力等于输出血压。如果0<Δt2

从上述分析看，最大压力的最佳调节点是使Δt2=t3-t2，此时泵的最大压力等于输出压力，有利于减小驱动电机功率和能耗。可见，最大压力调节器的设置，增强了泵的适应性，不但使泵能适应不同病人的不同血压，还可满足不同转流方式的需求，在V-A转流时提高最大输出压力，在V-V转流时，由于静脉压远低于收缩压，泵的最大输出压力可以相应降低，驱动电机的功率和能耗可以得到大幅度减小。

3 V-A转流时人体血压对血液泵输出的影响

当进行V-A转流时，人体血压在心脏一个搏动周期内呈现收缩压和舒张压的变化。由于血液泵为脉动输出，一般为了减小泵的体积，脉动输出的频率高于心脏的搏动频率。因此，血液泵在输出血液时将存在四种可能，即输出全程人体处于收缩压、全程处于舒张压、输出过程中人体血压从收缩压改变为舒张压和从舒张压变为收缩压。下面对这四种情况泵的工作情况进行分析。

前面对血液泵输出压力变化的分析是假定输出全程处于人体收缩压时的输出情况。对于输出全程处于舒张压时压力F(t)随时间变化的情况如图(B)中曲线0abcd所示。由于舒张压小于收缩压，血液泵的输出将提前，开始输出血液的时间由t1提前到t11，此时泵的输出血压只要高于舒张压，因此输出血压比全程处于收缩压时低，因为输出时间提前，血液泵完成血液输出的时间也提前，由t2提前到t22，自t22后，气泵给内胆不断充气，内胆体积不再增大，内胆气压不断升高最后达到最大输出压力Fm。

当血液泵在输出过程中人体血压有从舒张压到收缩压改变时，人体血压跳变开始，血液泵的压力小于人体血压，输出单向阀关闭，因为是V-A转流，静脉压低于动脉的舒张压，输入单向阀继续关闭，泵的输出出现短暂中止，随着活塞继续运动内胆气压增大，当内胆压力大于收缩压时，血液泵恢复血液输出，如图1(B)中曲线0abefd所示，在图中tx1至tx2为血液泵输出中止时间，由于输出有中断，内胆右端面运动到终点的时间延后至t2g，同样，内胆压力最终达到Fm。

当血液泵在输出过程中人体血压有从收缩压到舒张压的改变时，血液泵的压力和流速会随之发生改变。血压跳变开始，血液泵的输出压力与人体血压间的压力差增大，血液输出量增大，由于气泵活塞的运动速度不变，内胆体积加速增大，也就是右端面运动速度将大于活塞运动速度，泵的压力逐步下降到等于舒张压，如图1(C)中曲线0abefd所示，图中，F1和F2分布代表血液泵在舒张压和收缩压时开始输出血液的输出压力。由于输出血液流速存在一个高于正常值时间，内胆右端面达到运动终点的时间提前到t2d，此后，活塞继续运动，内胆压力逐步上升至Fm。从上述分析可知，如图人体血压在血液泵输出时间内发生变化，泵的输出压力可自动适应，不会导致病人局部高压。但血液泵的输出开始时间和输出结束时间会发生相应的改变，泵的最大输出压力不变，输出血液的流速会改变，总的输出量不变。

4 流速和流量分析

从前面的分析可知，只要设计和最大压力调节恰当，保证活塞到达终点的时间不早于内胆右端面到达终点，则外壳内的血液将全部输出。当活塞从右至左运动时，只要内胆足够柔软，在活塞的抽吸作用和外壳与内胆之间的负压共同作用下，内胆的气体将被全部抽出，外壳与内胆间的空间可被输入血液充盈。因此，泵的每搏流量是不变的。如果需要调节流量，只需改变驱动电机的转速就可实现。

比较图1(A)的曲线0abcf和图1(B)的曲线0abcd，可以看出，当泵的输出过程中，血管血压恒定时，对应不同高低的血压，泵的输出开始和终了时间发生改变，但输出持续时间不变，由于每搏流量恒定，可见输出血液的流速不变。

从图1(B)所示压力变化曲线0abefd可以看出，在血管血压存在从舒张压至收缩压的变化时，在时间(tx1，tx2)区间，血液泵输出中止，血液的流速V(t)随时间(t)变化的关系如图2(A)曲线所示。图2(A)中，在时间tx1至tx2之间，流速为0，表示在该时间段，输出中断。在t=tx2时，泵的输出压力上升至大于收缩压，恢复血液输出。

从图1(C)所示压力变化曲线0abefd可以看出，在输出过程中存在血管血压从收缩压变为舒张压时，在血压跳变的ty1开始，至泵的输出压力下降至适应舒张压的ty2止，输出血液的流速发生改变，由高于正常输出流速到逐步下降至正常流速，如图2(B)所示。

图2 输出过程中血管血压发生改变时流速变化曲线Fig. 2 The velocity curve of vascular blood pressure changes during the output process

从血液泵的工作原理可知，无论血管血压处于收缩压还是舒张压期间，只要泵的输出压力大于血管血压，就可输出血液，但流速与血管血压有关。图2中V0表示血管血压不变时的流速，从图2(B)中可以看出，时间ty1至ty2之间流速存在由高于正常流速V0到连续下降至正常流速的过程。

从以上分析可知泵的每搏输出量是不变的，但如果输出过程血管血压存在变化，则流速也随着发生改变。

5 结论

以上着重分析在泵的输出过程中流量、流速和压力的变化情况。活塞从右至左运动的返程期，输出中断，故未作过多阐述。由上述分析可知，无叶片泵的输出压力可自动适应人体血压的变化，不会导致病人局部高压。通过最大压力调节器，可对泵的最大输出压力进行调节，使泵能适应不同病人、不同用途和不同转流方式的需要。虽然输出时血液流速可能发生变化，但每搏输出量不变，泵在单位时间的输出量通过调节驱动电机转速，也就是调节搏动频率来实现，不影响泵的输出压力。

[1]钱坤喜，郑铭，茹伟民.离心型人工心脏电动叶轮血液泵的左心室辅助动物长期存活试验研究[J].中国生物医学工程学报，1997(3):206-211.

[2]云忠，龚中良，谭建平,等.微型轴流血泵虚拟样机设计方法研究[J].机械设计与研究，2003,19(04)：22-24.

[3]T Zhang,G Cheng,A Koert,et al．Functional and Biocompatibility Performances of an Integrated Maglev Pump-Oxygenator[J]. Artificial Organs，2009，33(01):36-45.

[4]侯晓彤，蔺嫦燕，吴广辉,等.计算流体力学分析评价XZ-Ⅱ型血泵的血液破坏[J].北京生物医学工程，2005，24(06)：452-452.

[5]Yasuhiro Kotani，Osami Honjo，Lisa Davey，et al.Evolution of Technology，Establishment of Program，and Clinical Outcomes in Pediatric Extracorporeal Membrane Oxygenation：The“SickKids”Experience[J].Artificial Organs，2013，37(01)：21-28.

[6]云忠，龚中良，谭建平,等.旋转叶轮血泵的发展与展望[J].生物医学工程学杂志，2005，22(01)：151-154.

Analysis on flow, pressure and maximum pressure regulator for the no vane pump

LUO Liangcai

(School of Energy and Electrical Engineering, Hunan University of Humanities, Science and Technology,loudi 417000，china)

In this paper,the output and pressure of the pump is analyzed in detail，and the function and necessity of the maximum pressure regulator are discussed.,The analysis shows that the flow regulation of no vane pump does not affect the output pressure of the pump, and the output pressure can automatically adapt to the blood pressure of blood vessel.

no vane pump；output pressure；blood pressure；blood flow；maximum output pressure

1672-7010(2016)04-0071-05

2016-09-22

湖南省科技厅资助项目(2014GK2004)

罗良才(1950—)，男，湖南南县人，教授级高级工程师，工学硕士，从事电子、人工心脏、血液泵设计研究

TH38；R318.11

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